半导体发光器件LD和LED

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1、第四章第四章 半导体发光器件半导体发光器件4.1 发光二极管发光二极管LED4.2 半导体激光器半导体激光器LD4.1 4.1 发光二极管（发光二极管（LEDLED） 发光二极管（Light Emitting Diode），简称LED，是一种能将电能转换为光能的半导体器件（固态发光元件），由磷化镓、砷化镓、磷砷化镓、砷磷化镓等半导体材料制成。 一、发光二极管的工作原理和结构 1.回顾工作原理 LED本质上是一种结半导体器件，其发光原理为低电场下的注入式电致发光：加电场-载流子扩散-复合发光u发光波长由PN结的禁带宽度Eg决定，即取决于材料的性质。P区和N区发光的比例由LED的材料、结构和掺杂决

2、定。2. LED的结构：采用半导体工艺在衬底上制作p-n结，然后制作Al电极，接着在半导体衬底一面蒸镀AuGe电极，制得芯片，封装芯片，焊到管座上，由超声波焊接或热压焊引出电极，最后涂覆透明的环氧树脂。u发光二极管的构成：管芯支架、管芯晶片、金线、环氧树脂 1）单色LED：P3 图1-2 2）白光LED白光LED1：图1白光LED2：图2二、发光二极管的分类 发光二极管的种类很多： （1）按材料分可分为砷化镓LED、磷砷化镓LED、磷化镓发LED、砷铝化镓LED等。 （2）按发光二极管的发光颜色分可分为红色、绿色、黄色、橙色等可见光发光二极管以及不可见的红外发光二极管。 （3）按发光效果分按发

3、光效果可分为固定颜色LED和变色LED两类，其中变色LED包括双色和三色等。 （4）按发光二极管的封装外形分按发光二极管的封装外形可分为圆柱形、矩形、方形、三角形、组合形发光二极管。其中圆形发光二极管的外径有220mm等多种规格，常用的有3mm、5mm等。 （5）按封装形式分 按封装形式有可分为: 有色透明封装（C） 无色透明封装（T） 有色散射封装（D） 无色散射封装（W） （6）按封装材料分按封装材料的不同可分为 塑料封装 陶瓷封装 金属封装 树脂封装 无引线封装常见发光二极管的外形图（1）最大工作电流IFMIFM是指发光二极管长期正常工作所允许通过的最大正向电流。使用中不能超过此值，否则

4、将会烧毁发光二极管。（2）最高反向电压URMURM是指发光二极管在不被击穿的前提下，所能承受的最大反向电压。使用中不应使发光二极管承受超过此参数值，否则发光二极管将可能被击穿。最大峰值电流和最高反向电压通常与环境温度相关。三、可见光发光二极管的特性（主要参数） 1.绝对最大额定值发光二极管的主要参数有最大工作电流IFM和最高反向电压URM。此外，容许损耗、工作温度、保存温度、焊接温度等在使用时也必须注意。注意：尽管在额定值范围内使用,一般不会损坏LED，但为了延长器件的使用寿命和提高可靠性，合理的使用值通常低于额定值的一定范围（60%）。2. LED的特性 1）IV特性其正向IV特性与普通二极

5、管大致相同图 发光二极管的电流-电压特性For ideal diode, current flows only one wayReal diode is close to idealIdeal Diode上升电压：GaAs 1.VGaAsP/GaAlAs 1.5VGaP 1.8VGaN 2.5VINGaN 3.0V反向击穿电压一般在十几伏几十伏非线性、整流特性单向导电性：正向低接触电阻，反向高接触电阻2） BV特性和BI特性（发光强度与正向电流特性）LED的发光亮度B与电压V的关系，用下式表示：LED的BI特性用下式表示：一般地，在流过额定电流值以内的情况，大体可认为发光强度与I成正比，斜率K

6、与发光材料有关。（不过也有例外，如GaP(红光)当少数载流子密度达到一定的数值时会使发光中心饱和）3）发光强度-环境温度特性 由于发光复合几率具有温度依赖性，一般地，环境温度上升，亮度下降；温度增加1度，发光效率减小1，当LED消耗功率大，则结温上升，输出亮度下降，使得发光强度随电流I不再线性增长，而是呈现热饱和现象。所以减小功耗，改良散热条件很重要。一般工作在小电流IF10mA，或者1020 mA长时间连续点亮LED温升不明显。此外，若环境温度较高，LED的主波长或p 就会向长波长漂移，BO也会下降，尤其是点阵、大显示屏的温升对LED的可靠性、稳定性影响应专门设计散射通风装置。4）发射光谱描

7、述LED发射光谱分布的两个主要参量：峰值波长max与半高宽（单色性指标） 。例：III-V族化合物半导体的光谱半高宽大多在3050nm，对GaAs1-xPx和Ga1-xAlxAs由于x不同，max620680nm， 2030nm；对GaP（红）: max700nm， 10nm；对GaP（绿）: max570nm， 25nm。窄的半高宽可以使得色彩感更敏锐。 器件工作时的温度会影响发射光谱，随着温度升高， 变大， max也会发生漂移0.30.4nm/度， 在光通信中是一个很重要的参量。LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、

8、封装方式无关。1 蓝光InGaN/GaN 2 绿光 GaP:N 3 红光 GaP:Zn-O4 红外GaAs 5 Si光电二极管 6 标准钨丝灯 是蓝色InGaN/GaN发光二极管，发光谱峰p = 460465nm； 是绿色GaP:N的LED，发光谱峰p = 550nm； 是红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰p = 680700nm； 是红外LED使用GaAs材料，发光谱峰p = 910nm； 是Si光电二极管，通常作光电接收用。5）方向性LED的发光强度因树脂透镜的形状不同而方向性不同。LED大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法向方向光强最大，其与水平

9、面交角为90。当偏离正法向不同角度，光强也随之变化。u为获得高指向性的角分布使用圆锥状（子弹头）的模粒头； LED管芯位置离模粒头远些； 封装的环氧树脂中勿加散射剂采取上述措施可使LED 21/2 = 6左右，大大提高了指向性。采用不同的封装工艺，圆形LED：5、10、30、456）响应时间从电流流过LED到管芯发光所需要的时间，又称响应速度。在快速显示，快速调制时，器件对信息的反应速度，即对启亮和熄灭时间有一定的要求.响应时间与少子的寿命、结电容、寄生电容有关。LED的响应时间很短，主要是由于载流子的直接跃迁复合时间较短。 例：GaP为100ns，GaAsP只有几个ns。7）寿命LED的寿命

10、一般很长，j1A/cm2,寿命为106h，与j有关，近似表示为u影响LED寿命的因素有：表面漏电流的增加沾污物(Cu)的内扩散在p-n结附近形成非辐射复合中心。u解决方法：对于前面两个因素，可采用合适的钝化、封装以及清洗技术予以消除，对于后一个原因可以在制作LED时尽量保证晶格的完整性，降低其缺陷密度，来达到缓解非辐射复合中心产生的速度，但不能完全消除。8）发光效率LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。LED最重要的光电特性是用辐射出光能量（发光量）与输入电能之比，即

11、发光效率。为了进一步提高外部出光效率e可采取以下措施： 用折射率较高的透明材料（环氧树脂n=1.55并不理想）覆盖在芯片表面； 把芯片晶体表面加工成半球形； 用Eg大的化合物半导体作衬底以减少晶体内光吸收。有人曾经用n=2.42.6的低熔点且热塑性大的玻璃成分As-S(Se)-Br(I)作封帽，可使红外GaAs、GaAsP、GaAlAs的LED效率提高46倍。LEDLED发光颜色发光颜色p p（nmnm）材料材料可见光发光效率可见光发光效率（lm/wlm/w）外量子效率外量子效率最高值最高值平均值平均值红光红光700700660660650650GaPGaP: :Zn-OZn-OGaAlAsG

12、aAlAsGaAsPGaAsP2.42.40.270.270.380.3812120.50.50.50.513130.30.30.20.2黄光黄光590590GaPGaP: :N-NN-N0.450.450.10.1绿光绿光555555GaPGaP: :N N4.24.20.70.70.0150.150.0150.15蓝光蓝光465465GaNGaN1010白光白光谱带谱带GaN+YAGGaN+YAG小芯片小芯片1.61.6， 大大芯片芯片1818例：四、LED的驱动电路1.为什么LED需要驱动电路？ LED不像普通的白炽灯，可以直接连接220V交流市电使用。LED是23V的低电压驱动，且是特

13、性敏感的半导体器件（I-V特性，负的电阻温度特性），因此必须设计合适的驱动电路，使其处于工作状态。2.选择和设计LED驱动电路需要考虑的问题1）高可靠性（特别对于室外照明显示）2）高效率（符合LED节能环保的特点）3）浪涌保护（提升LED抗反向电压能力）4）保护功能（增加LED温度负反馈，仿真LED温度过高）5）防护方面（防水、防潮、外壳耐晒）6）驱动方式：恒压驱动、恒流驱动7）驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配8）考虑电磁兼容3.LED的驱动方式 1）恒压源驱动 采用恒压源和限流电阻（图1）是成本最低的解决方案。缺点：（稳流能力差）由于I-V曲线的非线性，只要电压有很小的变化，电流就会变化

14、很大（亮度变化）u求LED发光时的限流电阻值 R=(Vin-VF)/IF2）恒流源驱动 比较理想的白光LED驱动方式是采用恒电流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动。使用可控制的固定正向电流，就能提供可控制的固定显示亮度。五、发光二极管的基本使用方法 1.如何使可见光发光二极管发光 由于LED是单向导通电阻，在正向，如果电压不超过上升电压，也没有电流流动。因此，为了使LED发光，电源电压至少要大于上升电压（正向电压）。 正向电压与LED发光颜色有关（P10 表1-2）： 红黄：1.8-2.2V；绿蓝：3.0-3.6V 正向电流与LED种类有关（20mA）普通发光二极管的工作电压一

15、般都为23V，电路只要满足工作电压的要求，不论是直流还是交流都可以。可根据要求选择发光二极管的发光颜色；根据安装位置，选择发光二极管的形状和尺寸。注意事项： 使用发光二极管时应注意不要超过其最大功耗、最大正向电流和反向击穿电压等，并注意以下几个问题： （1）若用电压源驱动，则应在电路中串接限流电阻，以限制流过管子的正向电流，防止LED因电流过大而损坏。 （2）交流驱动时，为防止LED被反向击穿，可在其两端并联反极性整流二极管保护。 （3）在焊接发光二极管时，烙铁的温度不应过高或焊接时间不宜过长，以免损坏发光二极管。u发光二极管工作的条件： 1、加正偏电压2、正偏电压大于1.5V，一般在2V到3

16、V3、工作电流为1030mA为适宜电流小功率的都尽量控制在20mA，指示用LED5mA。2.发光二极管的检测 用万用表检测发光二极管时，必须使用“R10k”挡。因为发光二极管的管压降为2V左右，而万用表“R1k”及其以下各电阻挡表内电池仅为1.5V，低于管压降，无论正、反向接入，发光二极管都不可能 导 通 ， 也 就 无 法 检 测 。 用“R10k”挡时表内接有15V（有些万用表为9V）电池，高于管压降，所以可以用来检测发光二极管。（1）发光二极管正、负极的判别 通常，发光二极管两管脚中，较长的是正极，较短的是负极。对于透明或半透明塑料封装的发光二极管，可以用肉眼观察到它的内部电极的形状，内

17、电极较小的为正极，内电极较大的为负极。如右图所示。 用万用表检测发光二极管的正反向电阻，其中电阻值小的那一次为正向电阻，黑表笔所接引脚为发光二极管的正极，红表笔所接引脚为发光二极管的负极。 （2）用万用表检测发光二极管的性能检测时，将万用表的黑表笔（表内电池正极）接LED正极，红表笔（表内电池负极）接LED负极，这时发光二极管为正向驱动，表针应偏转过半，同时LED中有一个发光亮点。再将两表笔对调后与发光二极管相连接，这时发光二极管为方向驱动，指针应不动，LED无发光亮点。如果无论正向驱动还是方向驱动，表针都偏转到头或都不动，则说明该发光二极管已损坏。3.LED的调光方法 调光：对LED的辉度进

18、行调整 LED的调光方法： 1）基于电流调整的方法原理：根据Led的发光强度-正向电流特性来调控 2）基于脉宽调制的方法由于辉度与电流流过的时间长短成比例，故可通过控制电流流动和中断的时间来调整辉度（开关时间比人眼响应时间要快）4. LED的串并联 1）LED全部串联的方式 优点： 通过每个LED的工作电流相等。当LED的一致性差别较大时，虽然分配到不同LED两端的电压不同，但通过每只LED的电流相同，故各LED的亮度一致。 缺点： 一般应串入限流电阻，要求驱动器输出较高的电压。电路性能分析：当某一只LED品质不良短路后， 如果采用稳压驱动方式，由于驱动器的输出电压不变，那么分配在剩余的LED

19、两端的电压将升高，驱动输出的电流将增大，容易损坏余下的LED 。 如果采用恒流方式驱动，这时候由于驱动器输出的电流保持不变，不影响余下的LED正常工作。 当一只LED品质不良断路后，串联在一起的LED将全部不亮，解决的办法是在每一只LED两端并联一个齐纳二极管，但是要满足齐纳二极管的导通电压要大于LED的导通电压，否则LED也不亮。2）LED全部并联方式 优缺点： 在并联设计中多只LED由具备独立电流的驱动电路来驱动，并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。此外并联设计具有低电磁干扰，低噪声和高效率等特点，且容错性强。uLED 采用全部并联方式时，要求LED驱动器输出较大的电流，负载

20、电压较低，由于分配在所有LED两端的电压相同，当LED的一致性差别较大时，而通过每只LED的电流不一致，LED的电流亮度也不同。uLED采用全部并联方式适合于电源电压较低的产品供电场合（比如太阳能或电池供电）。电路性能分析：当一只LED因品质不良断路时， 采用稳压LED驱动方式，驱动器的输出电流将减小，但不影响余下的所有的LED工作。 如果采用稳流驱动方法，驱动器输出电流没有变化，但是分配在其余LED上的电流将增大，容易损坏所有的LED。解决办法：尽量多的并联LED，使分配在其余LED上的电流不大，不影响其余LED的工作。当一只LED因品质不良短路，所有的LED将不亮，但如果并联LED的数量较

21、多，通过短路的LED的电流较大，足以将短路的LED烧成断路。3）混联方式混联连接方式有两种，一种是先将LED串联，然后再并联。 电路性能分析：当一串联支路上有一只LED短路时，该串联电路上的电流增大，容易损坏该支路中的LED。LED断路时，采用稳压式驱动方式，电流减小，不影响余下的LED工作。另一种连接方式为先并联再串联试分析该电路的性能（1）一只LED短路（2）一只LED断路六、发光二极管的应用 LED具有工作电压低（13V），电流小（几几十mA），响应速度快（10-6 10-9s),寿命长（ 105h），B高，可与半导体集成电路匹配，工艺简单，能实现多路驱动等特点，因此可以在以下方面得到很

22、好的应用：1.室内指示灯2.数字-文字显示3.LED-TV4.存储5.室外/车载照明、显示3.OA设备用光源1.指示灯普通的钨丝灯耐振动性差、易破碎等问题，LED指示灯不断更新换代，其寿命在数十万小时以上，而且功耗小，发光响应速度快，亮度高，小型耐振动等特点，在各种应用中占有明显的优势。常见的应用：电话、音响制品、家电制品、各种计测仪表以及集中控制盘等许多领域中，有着广泛的应用。LED显示屏的应用领域：证券交易、金融信息显示；机场航班等的动态显示等。2、数字、文字显示实现数字、文字显示的方法有两种：1）单片集成法用集成电路工艺在一片基片上制成若干相互绝缘的LED管，可按8字或矩阵排列，采用平面

23、或台面工艺实现单片集成。此法的不足是：面积小；基片利用率低。2）混成法在绝缘片上装配相互分开的LED管或芯片，按吕字形或矩形排列，每一笔画可用单个或多个LED或芯片做成。此法的优点是：结构简单；可自行排列；成本较低。3.LED-TV显示用作TV显示的GaP LED器件，采用混成器件结构。首先用液相外延技术制作高效率的GaP芯片，装配在陶瓷板上，芯片间距0.8mm，n区直接连接到金属带上，构成Y电极，p区的电极采用直径为0.04mm的金丝连接起来，构成X电极，每一个芯片有一镀金反射罩以提高亮度。LCD的背光源或正面光源的背光源或正面光源4.LED存储显示 例：采用p-n p-n发光二极管实现存储

24、显示nppnIV5、LED-LED-室外室外/ /车载照明、显示车载照明、显示6、OA设备的光源 作为卤素灯的替代品，已大量用于投影仪、扫描仪、打印机、复印机、传真机等思考题：1、发光二极管发光效率的定义，怎样才能提高LED的发光效率（提高LED效率有哪些途径？）2、发光二极管的结构原理？3、常用的LED材料有哪几种：他们各自有何特色？4、为什么LED必须要有驱动电路？5、LED的恒压源驱动和恒流源驱动有何区别？6、如何用万用表检测LED的好坏？4.2 4.2 半导体激光器半导体激光器激光器是以发射高亮度光波为特征的相干光源，是一种光频振荡器，或理解为“激光振荡器”。常见的激光器有：固体激光器

25、（红宝石、YAG、钕玻璃）；气体激光器、染料激光器、半导体激光器1、发展历史u1962年砷化镓同质结激光二极管实现了脉冲激射。u1963年H. Kroeme首先提出了用AlGaAs/GaAs双异质结构做成激光二极管可以使激射的阈值电流密度大大降低，从而能得到连续的激光输出的建议。u1969 年，前苏联的 Zh. I. Alferov 与其他几位科学家几乎同时独立地得到了AlGaAs/GaAs 异质结激光器的激射，开启了半导体激光器应用的新时代，H. Kroemer 和 Zh.I. Alferov因此获得了2000 年诺贝尔物理学奖2、半导体激光器的优点半导体激光器又称激光二极管（laser d

26、iode，LD） ，是以半导体材料为工作物质的一类激光器件。它诞生于 1962 年，除了具有激光器的共同特点外，还具有以下优点：(1)体积小，重量轻；(2)驱动功率和电流较低；可直接电调制；效率高，工作寿命长；易于与各种光电子器件实现光电子集成；与半导体制造技术兼容，可大批量生产。e.g.：正常情况下，光纤通讯用半导体激光器的阈值电流电流 为812mA，连续使用寿命在 10 万小时以上；其它小功率半导体激光器 的阈值电流为 2040mA，连续使用寿命在 12 万小时；大功率半导体 激光器的阈值电流为80150mA，连续使用寿命在5000 小时左右。由于这些特点，半导体激光器自问世以来得到了世界

27、各国的广泛关注与研究，成为世界上发展最快、应用最广泛、最早走出实验室实现商用化且产值最大的一类激光器。经过40多年的发展，半导体激光器已经从最初的低温（77K）脉冲运转发展到室温连续工作，工作波长从最开始的红外、红光扩展到蓝紫光，阈值电流由105A/cm2量级降至102 A/cm2 量级，工作电流最小到亚 mA 量级，输出功率从最初的几 mW 到现在的阵列器件输出功率达数 kW，结构从同质结发展到单异质结、双异质结、量子阱、量子阱阵列、分布反馈型（DFB） 、分布布拉格反射型（DBR）等 270 多种形式，制作方法从扩散法发展到液相外延（LPE） 、气相外延（VPE） 、金属有机化合物淀积（M

28、OCVD） 、分子束外延（MBE）等多种制备工艺。一、半导体激光器工作原理和基本结构 1.工作原理 光受激辐射、发出激光必须具备三个要素： i）经受激后能实现能级间跃迁的激活介质； ii）能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置； iii）放置激活介质的谐振腔，提供光反馈并进行放大，发出激光。 半导体激光器是向半导体PN结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的。 导带导带 价带价带 导带导带 价带价带正常分布正常分布反转分布反转分布问题：半导体激光器如何得到粒子数反转分布的状态呢? 产生粒子束反转的方法：强光对激光物质进行照射固体激光器气体电离

29、气体激光器注入载流子半导体激光器半导体的能带和电子分布图1 (a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半导体 2. PN结的能带和电子分布 在半导体中，由于邻近原子的作用，电子所处的能态扩展成能级连续分布的能带。能量低的能带称为价带，能量高的能带称为导带，导带底的能量Ec 和价带顶的能量Ev 之间的能量差Ec-Ev=Eg称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。在热平衡状态下，能量为E的能级被电子占据的概率为费米分布 式中，k为波兹曼常数，T为热力学温度。Ef 称为费米能级，用来描述半导体中各能级被电子占据的状态。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 一般状态下，本征半导

30、体的电子和空穴是成对出现的，用Ef 位于禁带中央来表示，见图1(a)。 在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体，见图1(b)。 在本征半导体中掺入受主杂质，称为P型半导体，见图1(c)。 在P型和N型半导体组成的PN结界面上，由于存在多数载流子(电子或空穴)的梯度，因而产生扩散运动，形成内部电场， 见图2(a)。 内部电场产生与扩散相反方向的漂移运动，直到P区和N区的Ef 相同，两种运动处于平衡状态为止，结果能带发生倾斜，见图2(b)。（a)P-N结内内载流子运流子运动；P区区PN结空结空间电间电荷区荷区N区区内部电场内部电场 扩散扩散 漂移漂移势垒势垒能量能量EpcP区区EncEfEpv

31、N区区Env(b)零零偏偏压时P-N结的能的能带倾斜斜图PN结的能的能带和和电子分布子分布图2h fh fEfEpcEpfEpvEncnEnv电子，电子，空穴空穴内部电场内部电场外加电场外加电场正向偏正向偏压下下P-N结能能带图载流子注入获得粒子数反转分布 增益区（作用区）的产生： 在PN结上施加正向电压，产生与内部电场相反方向的外加电场，结果能带倾斜减小，扩散增强。电子运动方向与电场方向相反，便使N区的电子向P区运动，P区的空穴向N区运动，最后在PN结形成一个特殊的增益区。 增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布，见图2(c)。 在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以

32、跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光,这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。 产生粒子数反转分布的条件：激光振荡的产生 粒子数反转分布（必要条件)+ 激活物质置于光学谐振腔中，对光的频率和方向进行选择 = 连续的光放大和激光振荡输出。 基本的光学谐振腔由两个反射率分别为R1和R2的平行反射镜构成，并被称为法布里-珀罗(FabryPerot, FP)谐振腔。 由于谐振腔内的激活物质具有粒子数反转分布，可以用它产生的自发辐射光作为入射光。3、半导体激光器稳定工作的条件激光稳定输出的条件：1）合适的谐振腔 - 相位条件2）增益大于损耗 - 阈值条件激光稳定工作的

33、条件1：合适的谐振腔产生稳定振荡的条件（相位条件）m 纵模模数，n 激光媒质的折射率注入电流注入电流有源区有源区解理面解理面解理面解理面L增益介质增益介质R1R2z=0z=L法布里珀法布里珀罗腔腔 只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。 激光稳定工作的条件2：光增益等于或大于总损耗在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为 gth =+ 式中，gth 为阈值增益系数，为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两

34、个反射镜的反射率 式中，为激光波长，n为激活物质的折射率，m=1, 2, 3 称为纵模模数。 在共振腔内沿腔轴方向形成的各种驻波称为谐振腔的纵模。 有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。 L= m 激光振荡的相位条件为4. 半导体激光器LD的发光过程注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光

35、能量大于总损耗时，LD开始工作。5.半导体激光器的分类(1) 依材料划分。激光二极管主要集中在III-V族 AlGaAs、GaInAsP、InGaAlP、InGaNg以及 II-VI族 ZnSSe、 ZnO等材料上。 研究、 开发、 生产最多的是AlGaAs、 GaInAsP、InGaAlP，InGaN在最近几年非常引人注目。 (2) 依波长划分。半导体激光二极管分为可见光、红外长波长、远红外长波长三大类。红外长波长的激光二极管由 1.3 m、1.55 m和 1.48 m的 GaInAsP激光器，以及 980 nm的 InGaAs 激光器，近红外波长（760900 nm）的激光二极管由 AlG

36、aAs 激光器，可见光波段中有红色的 AlGaAs 激光器 （760720 nm） 、 InGaAlP （680630 nm） 、 蓝绿光的InGaNg（490 400 nm） 。还有远红外波长 II-VI 族激光器。 (3) 依器件结构划分(4) 依输出功率划分。激光二极管的输出功率通常为毫瓦量级。经过研究和开发，现在已经有了各种规格的功率输出了。除了常规的小功率（通常为110mW）的AlGaAs、InGaAsP、InGaAlP激光二极管之外，大功率（高达110W，甚至100W、1000W）以及脉冲功率为万瓦级的激光器阵列也越来越受到重视，并且已经进入实用化。 (5) 依应用领域划分。半导体

37、激光二极管主要应用于光纤通信、光盘存储、光纤传感、激光仪器等。半导体激光二极管的常规外形如图 所示，包括带有玻璃窗口的半导体激光二极管单管和带有光纤尾纤的半导体激光二极管组合件，最后一支是键合在热沉上的管芯。 6. 半导体激光器基本结构驱动电源工作物质谐振腔PN结注入载流子*光子激励电子束激励PN结（同质结）异质结单异质结双异质结（DH）解理面布拉格反馈分布反馈式DFB分布布拉格反射式DBR最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m）、P型和N型限制层构成，如下图所示。解理面金属接触电流有源层P型N型300m100m200m大面积半导体激光器1）同质结（PN结）半导体激光器 PN能带正

38、向电压V时形成的双简并能带结构PN结LD的特点：阈值电流高，常温下不能连续工作所加的正向偏压必须满足1）同质结半导体激光器 2）异质结半导体激光器 同质结、异质结结构示意图为了获得高势垒,要求两种材料的禁带宽度有较大的差值。 这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。 结构中间有一层厚0.1-0.3m的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(FP)谐振腔。 图3.5是双异质结(DH)平面条形结构。 3）双异质结（DH）半导体激光器 u 双异质结DH半导体激光器

39、的工作原理 由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后， P层的空穴和N层的电子注入有源层。 P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。 同理， 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。 这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1-0.3 m的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。 另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。 图 3.6DH激光器工作原理激光器工作原理(a)双异双异质结构；

40、构； (b)能能带； (c)折射率分布；折射率分布； (d)光功率分布光功率分布 在研制半导体激光器的历史中，双异质结激光器是个重要的里程碑。 双异质结构同时提供了载流子限制和光限制， 这是此前的半导体激光器所没有的优点。 因此它能将阈值电流密度由以前的 5000 A/cm2以上降至 1000 3000 A/cm2的范围。电注入引起的增益足够大，足以形成受激辐射发出激光；电流密度足够小，所产生的热量不会引起激光的淬灭。1970 年首次采用这种双异质结构实现了室温下半导体激光二极管的连续工作，可以连续地发出激光，这是一个非常重大的突破。30 多年来，人们对双异质结进行了深入的研究，使其形式、结构

41、、特性多种多样，丰富多彩。 此后的结构几乎都是双异质结构的延伸，是对其的丰富与创新。DH-LD的改进：双异质结激光器在室温下光输出功率不够大，主要是受发光面面积的限制。激光器输出功率太大就会烧坏器件， 这是发光面积太小所限制的结果。同时只有有源层足够薄才能保证单模输出。改进1：大光腔异质结构在有源区和限制层之间加入一层波导层，有源层和导波层共同构成介质光波导（非对称结构）改进2：分离限制异质结构在有源区两侧各加入一层波导层，有源层和两层导波层共同构成介质光波导，光和载流子是分别限制在不同的区域中（对称结构）二、几种常见的半导体激光器1、分布反馈半导体激光器 分布反馈(DFB)激光器用靠近有源层

42、沿长度方向制作的周期性结构(波纹状)衍射光栅实现光反馈。这种衍射光栅的折射率周期性变化，使光沿有源层分布式反馈。 分布反馈激光器的要求： （1）谱线宽度更窄 （2）高速率脉冲调制下保持动态单纵模特性 （3）发射光波长更加稳定，并能实现调谐 （4） 阈值电流更低 （5）输出光功率更大图 3.13分布反分布反馈(DFB)激光器激光器(a)结构；构； (b)光反光反馈 如图3.13所示，由有源层发射的光，一部分在光栅波纹峰反射(如光线a)， 另一部分继续向前传播，在邻近的光栅波纹峰反射(如光线b)。 光栅周期=m (3.10) ne 为材料有效折射率，B为布喇格波长，m为衍射级数。 在普通光栅的DF

43、B激光器中，发生激光振荡的有两个阈值最低、增益相同的纵模，其波长为 (3.11)uDFB激光器与F-P激光器相比， 具有以下优点： v 单纵模振荡v 线性度好v 线宽窄：布拉格反射可比作多级调谐，使谐振波长的选择性大为提高。v 稳定性好：因为光栅有助于锁定在给定的波长上，使其温度漂移很小。v 动态谱特性好：高速调制下也保持单模振荡，虽然动态谱宽度要比静态谱宽展宽，但较F-P腔LD展宽小得多。分布反馈激光器分布反馈激光器(DFB - LD)一般性能一般性能 2040 1530输出功率输出功率 P/mW (连续单纵模连续单纵模,25C) 20 15外量子效率外量子效率 /% 1520 2030阀值

44、电流阀值电流 Ith/mA0.08频谱漂移频谱漂移 /(nm/C)3035边模抑制比边模抑制比 /dB0.040.5(Gb/s,RZ)直接调制单纵模直接调制单纵模连续波单纵模连续波单纵模谱线宽度谱线宽度 1.3 1.55工作波长工作波长2、量子阱激光器结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄带隙有源层夹在宽带隙半导体材料中间或交替重叠生长，有源层厚度小至德布罗意波长量级的新型半导体激光二极管。性能特点： 阈值电流低,输出功率高 谱线宽度窄，频率啁啾改善 调制速率高3 发展趋势 :集成化 可调谐 窄化发射谱线波长可调谐半导体激光器；波长可调谐激光器的

45、主要性能指标有：调谐速度和波长调谐范围。温度调谐激光器和电流调谐 外腔可调谐激光器 双极DFB激光器 双极和三极DBR激光器 三、半导体激光器的主要特性 1. V-I特性 V-I 特性为半导体激光二极管的外加工作电压同驱动电流的关系。在达到阈值之前，流经二极管的电流同电压呈指数关系当电流达到阈值之后，流经二极管的电流同电压呈线性关系2. P-I特性 P-I 特性为半导体激光二极管的激光输出功率同驱动电流的关系当有电流注入半导体LD时，一开始只是微弱的自发辐射，光功率缓慢增大。当驱动电流超过Ith时，光功率随着注入电流急剧增加。此时的dP/dI称为外部微分量子效率。从实用的角度，Ith越小越好。

46、（P55）单纵模稳定工作单纵模稳定工作有时输出光功率和电流关系的变化不是特别明显。一般都有有时输出光功率和电流关系的变化不是特别明显。一般都有光谱由超辐射变为激光时的突然变窄来衡量是否已达到激射。光谱由超辐射变为激光时的突然变窄来衡量是否已达到激射。3. 发射波长和光谱特性 半导体激光器的发射波长等于禁带宽度Eg(eV) h n =Eg不同半导体材料有不同的禁带宽度Eg，因而有不同的发射波长。 铝镓砷-镓砷(GaAlAs-GaAs)材料适用于0.75-0.87 m波段 铟镓砷磷 - 铟磷(InGaAsP-InP)材料适用于1.3-1.55 m波段式中，n=c/，n (Hz)和(m)分别为发射光

47、的频率和波长， c=3108 m/s为光速，h=6.62810-34JS为普朗克常数， 1eV=1.610-19 J，代入上式得到图 3.7GaAlAs-DH激光器的光激光器的光谱特性特性(a)直流直流驱动;(b)300Mb/s数字数字调制制 0799 800 801 802Im/mA40353025I=100mAPo=10mWI=85mAPo=6mWI= 8 0mAPo=4mWI=75mAPo=2.3mWL=250mW=12 mT=300K830 828 832 830 828 832 830 828 826832 830 828 826 824836 834 832 830 828 826

48、 824 822 820(a)(b) 在直流驱动下， 发射光波长只有符合激光振荡的相位条件式(3.5)的波长存在。这些波长取决于激光器纵向长度L，并称为激光器的纵模。 驱动电流变大，纵模模数变小 ，谱线宽度变窄。 这种变化是由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使边模消失、主模增益增加而产生的。 当驱动电流足够大时，多纵模变为单纵模，这种激光器称为静态单纵模激光器。 图3.7(b)是300 Mb/s数字调制的光谱特性， 由图可见，随着调制电流增大，纵模模数增多，谱线宽度变宽。 4. 激光束的空间分布(辐射特性) 激光束的空间分布用近场和远场来描述。 近场是指激光器输出反射镜面上（发光面上）的光强分

49、布； 远场是指光束从谐振腔的腔面输出之后（离反射镜面一定距离处）的光强分布。 图3.8是GaAlAs-DH激光器的近场图和远场图，近场和远场是由谐振腔(有源区)的横向尺寸，即平行于PN结平面的宽度w和垂直于结平面的厚度t所决定，并称为激光器的横模。 由图3.8可以看出，平行于结平面的谐振腔宽度w由宽变窄，场图呈现出由多横模变为单横模；垂直于结平面的谐振腔厚度t很薄，这个方向的场图总是单横模。 图 3.8 GaAlAs-DH条形激光器的近场和远场图样 典型半导体激光器的远场辐射特性和远场图样 (a) 光强的角分布； (b) 辐射光束 下图为典型半导体激光器的远场辐射特性，图中和分别为平行于结平面

50、和垂直于结平面的辐射角，整个光束的横截面呈椭圆形。为方便应用，应努力使激光束接近圆形。5. 转换效率和输出光功率特性 激光器的电/光转换效率可用功率效率和量子效率表示。量子效率又分为内量子效率、外量子效率以及外微分量子效率。（1）半导体激光器的注入功率 （电能） 转换为激光的功率 （光能） 的效率称之为功率效率p，式中 Pout 为激光输出功率，I 为工作电流，V 为激光器中 pn 结两端的正向压降，Eg 为有源区禁带宽度，R为串联电阻（包括激光器的体电阻和电极接触电阻）5. 转换效率和输出光功率特性（2）人们常常利用工作电流大于 Ith 之后的功率同电流的线性关系描述器件的效率，因而引进了外

51、微分量子效率式中，P和I分别为激光器的输出光功率和驱动电流，Pth 和Ith 分别为相应的阈值，h n 和e分别为光子能量和电子电荷。 外微分量子效率d其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数外量子效率为：为了提高外微分量子效率，必须设法做到：提高内量子效率；尽量减少自由载流子吸收损耗和有源区外吸收损耗；增大限制载流子和光子限制作用；减少腔长。 为了获得性能良好的激光器，必须对腔长、端面反射率和内部限制因素等参数进行优化选择，同时兼顾它们对激射模式、量子效率、阈值电流密度等的影响，使器件能符合应用的要求。 图典型半典型半导体激光器的光功率特性体激光器的光功率特性(a)短波短波长AlG

52、aAs/GaAs(b)长波波长InGaAsP/InP4 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA输输出出功功率率/ mWLED的的P-I特性特性543210 0 50 100 I /mA发射射光光功功率率P/mW 22 50 70 LD的的P-I特性特性 Ith=I0 exp 6. 温度特性半导体激光器对温度十分敏感，其输出功率随温度会发生很大变化，其主要原因为：（1）激光器的阈值电流Ith 随温度升高而增大（2）外微分量子效率d随温度升高而减小。 温度升高时，Ith 增大，d减小， 输出光功率明显下降，达到一定温度时，激光器就不再受激辐射了。当以直流电流驱动激光器时，阈

53、值电流随温度的变化更加严重。当对激光器进行脉冲调制时，阈值电流随温度呈指数变化，在一定温度范围内，可以表示为式中，I0为常数，T为结区的热力学温度，T0为激光器材料的特征温度,反映了材料的温度稳定性能的优劣。 GaAlAs GaAs 激光器T0=100-150 K InGaAsP-InP 激光器T0=4070 K 所以长波长InGaAsP-InP激光器输出光功率对温度的变化更加敏感。 温度对阈值电流Ith 的影响主要来自于四个方面：增益系数，内量子效率，内部载流子输运和光子损耗。在量子阱激光器中，由于量子结构对注入载流子的限制，大大减小了电流的泄露，因而量子阱激光器的温度稳定性好得多，特征温度

54、T0 可以高达 150K以上，这是量子阱激光器的优点之一。 图 3.12P I曲曲线随温度的随温度的变化化 图3.12示出脉冲调制的激光器，由于温度升高引起阈值电流增加和外微分量子效率减小，造成的输出光功率特性P I曲线的变化。 7. 散光当平行和垂直于PN结面上的折射率分布不同时，不同方向上看到的焦点位置不同，垂直和平行方向上两个焦点位之间的距离成为散光。散光越大，激光聚焦越困难。eg：DAs 图3.14 （P57） 8. 噪声特性噪声：激光器光功率在时间上的起伏。相对噪声强度=(光功率的起伏/平均光功率)2记作：RIN=(DP/P)2半导体激光器中的噪声来源：1）PN结温度的上升引起纵模跳

55、跃，称为跳模噪声；2）激光返回原来发光部分产生的反射光波噪声；3）激光与反射光的干涉使激光振荡状态发生大的变动也会产生噪声。RIN对对光反射光反射非常敏感，对于相位或幅度噪声敏感的系非常敏感，对于相位或幅度噪声敏感的系统，采用光隔离器阻止光后向反射是必要的。统，采用光隔离器阻止光后向反射是必要的。 9. COD（严重光学镜面损伤）反射镜芯片端由于光密度的增加而发热，使激光器端面收到破坏，从而瞬间劣化的现象。COD的物理过程：激光振荡-端面光吸收-端面发热-芯片端面带隙变窄-芯片端面光吸收增大-端面发热增大-（如此循环-端面劣化） 10. 光功率的时间特性脉冲驱动时，半导体激光器的光功率会随时间

56、发生变化。原因：环境温度或激活层温度变化，容易引起半导体激光器光功率发生变化-解决的方法：1）激光器的散热。2）反映在驱动电路上，如图3.19(P58)，通常使用的驱动电路具有检测监视用光敏二极管的输出、并反馈给驱动电流的自动功率控制功能，这样一来即使温度变化也能获得稳定的激光输出功率。 12. 其他特性1）发射波长随温度的变化FP-LD：由于有源层的禁带宽度Eg 随温度T升高而变窄，发射波长相应地变长，即温升引起“红移”；DFB-LD、DBR-LD：发射波长 由布拉格光栅周期和等效折射率 neff 决定，温度上升时，光栅周期几乎不变，其影响可以忽略不计。(DFB-LD和DBR-LD中的发射波

57、长随温度变化的速率小于0.1 nm/,它们直到 100的高温还能稳定地以单纵模工作) 12. 其他特性2）动态单模、低啁啾许多激光二极管在直流或低频电流驱动时能发出单模激光，但在高频调制速率时会产生啁啾效应。所谓啁啾就像林中的小鸟的叫声，它是由于鸟的叫声的频率在不断地变化而产生的听觉效果。我们希望它的发射频率是固定的，不要因为电流的大小而发生变化。DFB-LD、DBR-LD 和 VCSEL 的啁啾可以很低，在动态情况下仍能以单纵模方式工作。 12. 其他特性3）主模和边模DFB-LD和 DBR-LD的激光输出单色性好， 在高功率输出时， 主边模抑制比可达30 dB，也就是说，主模的输出功率要比

58、边模高处 1000 被，因此我们可以将其看作非常纯的单模输出。综上所述，DFB-LD、DBR-LD 和 VCSEL 具有非常优良的特性，它们利用周期光栅作布拉格反射器，有效地选择波长，稳定地以单纵模方式工作，非常高的主边模抑制比，窄的光谱宽度和低的啁啾，很好的温度特性和高效率的输出。这些十分独特的优点，构成了它们优异的性能，因而在许多光电子应用领域中显示了巨大的优越性，成为光通信等应用中不可或缺的光源。 小结：LD 的特点及应用 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长

59、主要局限在红光和红外区域。 LD 和LED的主要区别 LD发射的是受激辐射光 LED发射的是自发辐射光 LED的结构和LD相似，大多是采用双异质结(DH)芯片，把有源层夹在P型和N型限制层中间，不同的是LED不需要光学谐振腔， 没有阈值。半半导体激光器体激光器(LD)和和发光二极管光二极管(LED)的一般性能的一般性能-2050 -2050-2050 -2050工作温度工作温度 /C寿命寿命 t/h30120 30120 2050 2050辐射角辐射角50150 301005002000 5001000调制带宽调制带宽 B/MHz0.10.3 0.10.213 13入纤功率入纤功率 P/mW15 13510 510输出功率输出功率 P/mW100150 100150工作电流工作电流 I/mA2030 3060阀值电流阀值电流 Ith/mA50100 6012012 13谱线宽度谱线宽度1.3 1.551.3 1.55工作波长工作波长LEDLD